楔形單樁水平承載特性研究

原 華 謝俊南 張紅忠 周 哲

（1河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004）

楔形單樁水平承載特性研究

原 華1，2謝俊南1張紅忠1周 哲1

（1河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004）

通過(guò)對(duì)粉土中水平荷載作用下楔形樁的承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與同等條件下等體積圓樁的承載特性進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與同等條件下等體積圓樁相比，楔形樁水平承載力較之提高近10%，楔形樁身最大正彎距出現(xiàn)位置與同體積圓樁位置基本吻合，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)位置比圓樁上升了12.5%，楔形樁樁周土體位移比圓樁減小約8.2%。這說(shuō)明在水平荷載作用下楔形樁較等體積圓樁有更好的承載特性。

楔形樁；水平位移；樁身彎矩；水平承載

1 研究背景

楔形樁由于其特殊的楔形側(cè)面，與等截面樁相比，單位承載力能顯著提高，且節(jié)省材料。在楔形樁豎向承載力和側(cè)摩阻力問(wèn)題方面，孔綱強(qiáng)等［1-3］得出楔形角能有效降低樁頂下拽位移，楔形樁中性點(diǎn)位置隨著地面堆載等級(jí)的增加而降低。劉杰［4］等對(duì)楔形樁和圓柱形樁復(fù)合地基進(jìn)行了模型對(duì)比試驗(yàn)，證明圓柱形樁在復(fù)合地基中的承載力明顯低于楔形樁的承載力。在楔形樁單樁水平承載力方面，周航、孔綱強(qiáng)、曹兆虎［5］分析基樁形式、樁體性質(zhì)及水平荷載等級(jí)等因素對(duì)楔形樁水平向承載力特性的影響規(guī)律。這些研究多集中在普通地基及復(fù)合地基中楔形樁的豎向承載力和側(cè)摩阻力方面，而楔形樁與等體積圓樁在水平荷載作用下對(duì)比研究并未涉及。本文以開(kāi)封市粉土地基中的楔形單樁為研究對(duì)象，借助數(shù)值模擬的方法研究楔形單樁的水平承載特性，并從樁體受力、樁身彎矩和樁周土體位移三個(gè)方面與等體積（等截面等長(zhǎng)度）的圓樁進(jìn)行對(duì)比。

2 數(shù)值模型

用ABAQUS軟件建立楔形及等體積圓形單樁模型。楔形樁上樁徑D1取0.75m，下樁徑D2取0.5m，長(zhǎng)度h取10m，楔形角是0.7°。圓樁直徑取0.625m，與楔形樁等側(cè)面積等長(zhǎng)度。土體邊長(zhǎng)取20D1，深度取2h。依次選用彈性和Mohr-Coulomb模型模擬樁、土。其中，樁體材質(zhì)為鋼筋混凝土，彈性模量取30GPa，天然密度為2 500kg/m3,泊松比取0.16；參照開(kāi)封地區(qū)粉土特性，土體彈性模量取8MPa，粘聚力取5kPa，內(nèi)摩擦角21°，密度為1 900kg/m3，泊松比為0.25，摩擦系數(shù)設(shè)成0.3。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁體水平方向承載特性

圖1顯示了楔形樁及圓樁樁頂?shù)暮奢d位移曲線。對(duì)比兩條曲線可得：在水平荷載作用下，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本一致，隨著水平荷載的增大，樁頂處水平位移逐漸增大。兩條變形曲線基本呈現(xiàn)三個(gè)階段的變化：直線、彈塑性變形、破壞階段。模型中樁頂水平位移未能達(dá)到10mm，若依據(jù)樁基規(guī)范，取水平位移6mm所對(duì)應(yīng)的荷載的75%作為單樁水平承載力特征值，則楔形樁的單樁水平承載力特征值約為51.25kN，比圓樁提高了近10%。

圖1 荷載位移曲線

3.2 樁身彎矩

圖2、圖3為楔形樁及圓樁的樁身彎矩曲線。由圖可得，樁體未破壞前，隨著荷載等級(jí)的增加，楔形樁和圓樁的樁身彎矩沿著樁深方向均呈先增大后減小的近似變化趨勢(shì)。楔形樁的樁身最大正彎矩值出現(xiàn)位置同圓樁，彎矩為零位置出現(xiàn)在約0.6倍樁身處，比圓樁上升了33%，最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在約0.8倍樁長(zhǎng)處，比圓樁上升了12.5%，楔形樁總體彎矩變化范圍較圓樁廣。

圖2 楔形樁樁身彎矩曲線圖

圖3 圓樁樁身彎矩曲線

3.3 土體位移

相同水平荷載作用下，圓樁周?chē)馏w最大位移約是9.25mm，楔形樁周?chē)馏w最大位移約是8.58mm，楔形樁比圓樁周?chē)馏w位移變形小約8.2%，且圓樁土體出現(xiàn)明顯的隆起現(xiàn)象。同等水平荷載作用下，楔形樁比常規(guī)等直徑樁能承受更大荷載，樁體能分擔(dān)較多水平荷載，減小傳遞到土層中的力，對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生小的擾動(dòng)，樁周土不易喪失穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

①水平荷載作用下，楔形樁比等體積圓樁能承受更大的荷載，相比圓樁水平承載力提高近10%。

②楔形樁的最大正彎距與等體積圓樁的位置相同，均在0.2倍樁長(zhǎng)左右，最大負(fù)彎矩約位于距樁頂0.6倍樁長(zhǎng)處，出現(xiàn)位置較圓樁上升了12.5%。

③同等水平荷載作用下，楔形樁周?chē)馏w的水平位移變化比等體積圓樁小約8.2%，說(shuō)明在水平荷載作用下楔形樁較等體積圓樁有更好的承載特性。

［1］孔綱強(qiáng).堆載條件下現(xiàn)澆擴(kuò)底楔形群樁負(fù)摩阻力特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011（1）：364-368.

［2］孔綱強(qiáng)，孫學(xué)謹(jǐn)，曹兆虎，等.楔形樁與等截面樁中性點(diǎn)位置可視化對(duì)比模型試驗(yàn)［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì).中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十二屆全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集.2015.

［3］孔綱強(qiáng)，顧紅偉，周立朵，等.低承臺(tái)擴(kuò)底楔形樁群樁效應(yīng)系數(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2016（2）：461-468.

［4］劉杰，何杰，閔長(zhǎng)青.夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基中樁的合理楔角范圍研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010（7）：2202-2206.

［5］周航，孔綱強(qiáng)，曹兆虎.水平荷載下楔形樁樁-土相互作用理論分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（3）：897-904.

Numerical Simulation of Horizontal Bearing Capacity of Wedge Single Pile

Yuan Hua1,2Xie Junnan1Zhang Hongzhong1Zhou Zhe1
（1.College of Civil Engineering and Architecture,Henan University，Kaifeng Henan 475004；2.Laboratory for Recycled and Functional Building Materials,Henan University，Kaifeng Henan 475004）

Based on the numerical simulation of the bearing characteristics of horizontal silt loading wedge pile,and compared with the same conditions under the bearing characteristics of the equal volume round pile,It is found that the horizontal bearing capacity of the wedge pile is nearly 10%higher than that of the equal volume pile under the same condition,the maximum positive bending distance of the wedge pile is in good agreement with the position of the same volume,and the maximum negative moment position was 12.5%higher than the circular pile,and the soil displacement of the wedge pile is about 8.2%lower than that of the round pile.It is shown that the wedge pile has better bearing characteristics than the equal volume pile under the horizontal load.

wedge pile；horizontal displacement；pile moment；horizontal bearing

TU473

A

1003-5168（2017）12-0100-02

2017-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51508163）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A560018）資助。

原華（1982-），女，博士，副教授，研究方向：結(jié)構(gòu)工程與巖土工程研究。

謝俊南（1991-），女，碩士在讀，研究方向：巖土工程。